JP2023081465A - Magnet filter formed of iron-chrome-cobalt based magnet and production method thereof - Google Patents

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Nobuyuki Okamura
慎二 松下
Shinji Matsushita
俊哉 足達
Toshiya Adachi
正博 佐藤
Masahiro Sato
崇博 石井
Takahiro Ishii
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Abstract

To provide a three-dimensional magnet filter which has strong attraction force to inside of a filter, and has a high freedom degree of a shape of capable of freely designing a size of the whole filter and an aperture of the filter according to a magnetic impurity which is desired to be removed.SOLUTION: There is provided a magnet filter comprising a three-dimensional lattice structure formed of an iron-chrome-cobalt based magnet.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

本発明は、鉄-クロム-コバルト系磁石によるマグネットフィルタおよびその製造方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a magnetic filter using iron-chromium-cobalt magnets and a method for manufacturing the same.

磁性材料は、硬磁性材料と軟磁性材料に区分される。そのうち、硬磁性材料は保磁力が大きく、外部磁場に対して減磁しにくい磁性材料を指し、代表的なものとして、フェライト磁石、NdFeB系磁石、SmCo系磁石、金属磁石などの永久磁石がある。中でも、金属磁石は比較的小物や複雑な形状の量産に向いているという特徴を有している。金属磁石の例としては、鉄、クロム、コバルトを主成分とした磁石(鉄-クロム-コバルト系磁石)や、鉄、アルミニウム、ニッケル、コバルトを主成分とした磁石(アルニコ磁石)がある。 Magnetic materials are divided into hard magnetic materials and soft magnetic materials. Among them, hard magnetic materials refer to magnetic materials that have a large coercive force and are difficult to be demagnetized by an external magnetic field. Representative examples include permanent magnets such as ferrite magnets, NdFeB magnets, SmCo magnets, and metal magnets. . Among them, metal magnets are characterized by being suitable for mass production of relatively small articles and complicated shapes. Examples of metal magnets include magnets mainly composed of iron, chromium and cobalt (iron-chromium-cobalt magnets) and magnets mainly composed of iron, aluminum, nickel and cobalt (alnico magnets).

鉄-クロム-コバルト系磁石は、アルニコ磁石に比べ、高い磁束密度と最大エネルギー積を持つため、磁気性能に優れ、さらにコバルト含有量が少ないため、価格変動リスクが少ない。また、鉄-クロム-コバルト系磁石は、アルニコ磁石と同様、残留磁束密度の温度係数が小さいため、温度安定性に優れるほか、原料にレアアースを使用していないため、調達安定性に優れ、製品適用し易いメリットがある。なお、鉄-クロム-コバルト系磁石は、ステッピングモーターやリレー、トルクリミッター、磁気センサー等に利用されている。 Compared to alnico magnets, iron-chromium-cobalt magnets have higher magnetic flux density and maximum energy product, so they have superior magnetic performance. In addition, like alnico magnets, iron-chromium-cobalt magnets have a small temperature coefficient of residual magnetic flux density, so they have excellent temperature stability. It has the advantage of being easy to apply. Iron-chromium-cobalt magnets are used in stepping motors, relays, torque limiters, magnetic sensors and the like.

また、永久磁石の磁力を利用した各種のフィルタが提案されている。特許文献1には、永久磁石の近傍に取り付けられた網状のフィルタが記載されている。このフィルタは鉄等の軟磁性材料で形成されており、磁石の近傍に取り付けられることによって磁性を帯びる。汚水中の磁性不純物は、永久磁石だけでなく、このフィルタにも付着する。このフィルタは取り外し可能で、取り外したフィルタを酸で処理することによって磁性不純物を回収できるとされている。さらに、特許文献2には、フィルタの内部に格子パターン(2次元)のボンド磁石を配置することによって、フィルタを流れ抜ける流体中の汚染物を引き付けトラップできることが記載されている。 Various filters using the magnetic force of permanent magnets have also been proposed. Patent Literature 1 describes a mesh filter attached near a permanent magnet. This filter is made of a soft magnetic material such as iron, and becomes magnetized when attached near a magnet. Magnetic impurities in the sewage adhere not only to the permanent magnets, but also to this filter. It is said that this filter is removable, and magnetic impurities can be recovered by treating the removed filter with acid. Furthermore, Patent Document 2 describes that contaminants in the fluid flowing through the filter can be attracted and trapped by placing bonded magnets in a lattice pattern (two-dimensional) inside the filter.

一方、特許文献3には、鉄-クロム-コバルト系合金材料を用いて、付加製造法によって、加工中の割れや欠けの低減に寄与し得る鉄-クロム-コバルト系積層合金を得ることが示されているが、平面的な構造体を作製し、良好な磁石組織や磁気特性を確認するのみで、具体的な3次元構造については何も記載されていない。 On the other hand, Patent Document 3 shows that an iron-chromium-cobalt-based alloy material is used to obtain an iron-chromium-cobalt-based laminated alloy that can contribute to reducing cracks and chips during processing by an additive manufacturing method. However, nothing is described about a specific three-dimensional structure, only by fabricating a two-dimensional structure and confirming good magnet structure and magnetic properties.

特開2002-102862号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-102862 特表2000-502284号公報Japanese Patent Publication No. 2000-502284 特開2021-42456号公報JP 2021-42456 A

特許文献1に記載のフィルタは、永久磁石によって鉄などの軟磁性材料による網目状フィルタを磁化し、磁化したフィルタによって磁性不純物を吸着除去する構成であるため、網目状フィルタの吸着力は永久磁石から離れれば離れるほど弱くなってしまう。特許文献1においては、網目状フィルタを磁化している永久磁石と網目状フィルタの両方で不純物を吸着しており、網目状フィルタのみでの吸着力はそれほど大きくないと考えられる。
特許文献2に記載のフィルタは、ボンド磁石で2次元の格子を形成しているが、特許文献2記載の2次元の格子では、多くの不純物の除去は期待できないと考えられる。ボンド磁石で形成できる格子の形状、大きさ、目開きの大きさなどには限界があり、特に特許文献1に記載のような3次元の網目構造を形成することは現在の技術水準では事実上不可能である。
The filter described in Patent Document 1 has a configuration in which a mesh filter made of a soft magnetic material such as iron is magnetized by a permanent magnet, and magnetic impurities are adsorbed and removed by the magnetized filter. The further away you are from it, the weaker it becomes. In Patent Document 1, impurities are adsorbed by both the permanent magnet magnetizing the mesh filter and the mesh filter, and it is considered that the adsorption force of the mesh filter alone is not so large.
The filter described in Patent Document 2 forms a two-dimensional lattice with bonded magnets, but it is considered that the two-dimensional grid described in Patent Document 2 cannot be expected to remove many impurities. There are limits to the shape, size, and opening size of the lattice that can be formed with bond magnets. Impossible.

本発明は上記課題を解決するものであり、フィルタ内部まで強い吸着力を有し、かつ、除去したい磁性不純物に合わせてフィルタ全体の大きさやフィルタの目開きを自由に設計することができる形状自由度が高い3次元構造のマグネットフィルタを提供することを目的とする。 The present invention is intended to solve the above problems, and has a strong adsorption force even inside the filter, and the size of the entire filter and the opening of the filter can be freely designed according to the magnetic impurities to be removed. An object of the present invention is to provide a magnet filter with a high degree of three-dimensional structure.

発明者は、特許文献1記載のマグネットフィルタのように軟磁性材料を永久磁石で磁化するのではなく、永久磁石そのものに磁性不純物を吸着させるマグネットフィルタについて検討したところ、鉄-クロム-コバルト系磁石による3次元格子構造体を作製し、そのままフィルタとして用いることにより前記目的を達成できることを見出した。 The inventor studied a magnet filter in which magnetic impurities are attracted to the permanent magnet itself instead of magnetizing a soft magnetic material with a permanent magnet as in the magnet filter described in Patent Document 1, and found that an iron-chromium-cobalt magnet The present inventors have found that the above object can be achieved by fabricating a three-dimensional lattice structure according to the method and using it as a filter as it is.

本発明のマグネットフィルタは、鉄-クロム-コバルト系磁石による3次元格子構造を有することを特徴とする。 The magnetic filter of the present invention is characterized by having a three-dimensional lattice structure of iron-chromium-cobalt magnets.

本発明のフィルタ装置は、前記マグネットフィルタを組み込んで用いることを特徴とする。 A filter device according to the present invention is characterized by incorporating the above-mentioned magnet filter.

本発明の3次元格子構造を有する鉄-クロム-コバルト系磁石によるマグネットフィルタの製造方法は、付加製造法を用いて製造することを特徴とする。 The method for producing a magnetic filter using an iron-chromium-cobalt magnet having a three-dimensional lattice structure according to the present invention is characterized by using an additive manufacturing method.

本発明の3次元格子構造を有する鉄-クロム-コバルト系磁石によるマグネットフィルタの製造方法は、付加製造法で形成した鉄-クロム-コバルト系合金の造形体に対し、溶体化処理、磁場中熱処理、時効処理を行うことを特徴とする。 In the method of manufacturing a magnetic filter using an iron-chromium-cobalt-based magnet having a three-dimensional lattice structure according to the present invention, a shaped body of an iron-chromium-cobalt-based alloy formed by an additive manufacturing method is subjected to solution treatment and heat treatment in a magnetic field. , is characterized by performing aging treatment.

本発明により、フィルタ内部まで強い吸着力を有し、かつ、除去したい磁性不純物に合わせてフィルタ全体の大きさやフィルタの目開きを自由に設計することができる形状自由度が高い鉄-クロム-コバルト系磁石によるマグネットフィルタを提供することができる。 According to the present invention, iron-chromium-cobalt has a high degree of freedom in shape, which has a strong adsorption force even inside the filter, and allows the size of the entire filter and the opening of the filter to be freely designed according to the magnetic impurities to be removed. It is possible to provide a magnetic filter with system magnets.

実施例の造形体の作製に用いた3次元CADデータを2次元で表現した図であり、(a)は上面図、(b)は側面図である。FIG. 3 is a two-dimensional representation of the three-dimensional CAD data used to fabricate the modeled body of the example, where (a) is a top view and (b) is a side view. 実施例で作製した造形体の写真である。4 is a photograph of a modeled body produced in an example. 実施例の造形体の作製に用いた3次元CADデータを2次元で表現した図であり、(a)は側面図、(b)は上面図と単位格子の詳細図である。FIG. 2 is a two-dimensional representation of the three-dimensional CAD data used to fabricate the modeled body of the example, where (a) is a side view and (b) is a top view and a detailed view of a unit cell. 実施例で作製した造形体の写真である。4 is a photograph of a modeled body produced in an example.

本発明は、永久磁石材料として、鉄-クロム-コバルト系磁石(以下、「FCC磁石」と称す)を用いる。なお、本明細書においては、特に断りのない限り、FCC磁石は、着磁によって永久磁石としての機能を有するもの、未着磁のもの、脱磁されたものを含むこととする。また、本発明のマグネットフィルタは、3次元格子構造を有するFCC磁石の単体を称し、着磁されているもの、未着磁のもの、脱磁されているものを含むこととする。さらに、本発明のマグネットフィルタが組み込まれている装置はフィルタ装置として、FCC磁石単体である本発明のマグネットフィルタと区別することとする。 The present invention uses iron-chromium-cobalt magnets (hereinafter referred to as "FCC magnets") as permanent magnet materials. In this specification, unless otherwise specified, FCC magnets include magnetized magnets that function as permanent magnets, non-magnetized magnets, and demagnetized magnets. The magnet filter of the present invention refers to a single FCC magnet having a three-dimensional lattice structure, and includes magnetized, non-magnetized, and demagnetized magnets. Further, a device incorporating the magnet filter of the present invention is distinguished as a filter device from the magnet filter of the present invention, which is a single FCC magnet.

最初に、FCC磁石について詳しく説明する。FCC磁石は、Fe、CrおよびCoを含む金属材料を溶解し、冷却によって凝固した後、さらに、溶体化処理、磁場中熱処理および時効処理などの熱処理工程を行うことによって製造され得る。これらの熱処理工程により、Fe-Cr-Co系合金中でスピノーダル分解が生じ、強磁性相の単磁区微粒子が非磁性マトリックス中に析出する。スピノーダル分解が生じるとき、特定方向の磁場を印加することにより、Fe-Cr-Co系合金に磁気異方性を与えることができる。以下、熱処理工程前におけるFe-Cr-Co系合金を単に「FCC合金」と称し、「FCC磁石」とは区別する。従来のFCC磁石は鋳造法や圧延法で作製される。鋳造法や圧延法の詳細は本明細書では省略する。 First, the FCC magnet will be described in detail. FCC magnets can be manufactured by melting a metallic material containing Fe, Cr and Co, solidifying by cooling, and then performing further heat treatment processes such as solution treatment, magnetic field heat treatment and aging treatment. These heat treatment steps cause spinodal decomposition in the Fe--Cr--Co alloy, and single domain fine grains of ferromagnetic phase are precipitated in the non-magnetic matrix. When spinodal decomposition occurs, magnetic anisotropy can be imparted to the Fe--Cr--Co alloy by applying a magnetic field in a specific direction. Hereinafter, the Fe--Cr--Co alloy before the heat treatment process is simply referred to as "FCC alloy" to distinguish it from "FCC magnet". Conventional FCC magnets are produced by casting or rolling methods. Details of the casting method and the rolling method are omitted in this specification.

本発明のマグネットフィルタは、付加製造法(具体的に積層造形法と呼ばれることもある)によって作製することができる。付加製造法では、切削による除去的な加工や、型に材料を流し込んで固める成形加工とは異なり、メッシュ形状やポーラス形状をはじめとする、かつては製造が困難であった形状を容易に正確に製造できる。付加製造法には様々な手法があるが、例えば、パウダーベッドフュージョン方式の積層造形法では、粉末材料を一層ずつ造形ステージ全体に敷き詰め、各層毎に3次元CADデータに対応した所定の箇所にレーザ等を照射し、粉末材料を溶融・凝固させて一体化する。これを繰り返して目的の造形体を得ることが出来る。付加製造法では、材料として、樹脂だけでなく金属を用いることもできる。出願人は特許文献3および特願2021-019881号において、代表例としてパウダーベッドフュージョン方式の積層造形法を用いてFCC合金およびFCC磁石を製造する方法を開示している。 The magnetic filter of the present invention can be produced by an additive manufacturing method (specifically sometimes called an additive manufacturing method). In additive manufacturing, unlike removal processing by cutting and molding processing in which material is poured into a mold and hardened, it is possible to easily and accurately create shapes that were once difficult to manufacture, such as mesh and porous shapes. can be manufactured. There are various methods of additive manufacturing, but for example, in the additive manufacturing method of the powder bed fusion method, powder material is spread over the entire modeling stage layer by layer, and lasers are applied to predetermined locations corresponding to 3D CAD data for each layer. , etc., to melt and solidify the powder material and integrate it. By repeating this process, a desired shaped body can be obtained. In the additive manufacturing method, not only resin but also metal can be used as the material. In Patent Document 3 and Japanese Patent Application No. 2021-019881, the applicant discloses a method of manufacturing an FCC alloy and an FCC magnet using a powder bed fusion type additive manufacturing method as a typical example.

以下、付加製造法によってFCC磁石を製造する方法について詳細に説明する。 The method of manufacturing FCC magnets by the additive manufacturing method will be described in detail below.

[原料粉末]
本発明では、粉末状のFCC合金を原料として用いる。より詳細には、質量比で17~45%Cr、3~35%Co、5%以下の添加元素、残部はFeおよび不可避不純物からなるFCC合金であり、前記添加元素は、例えば、Ti、Mo、V、Si、およびAlからなる群から選択された少なくとも1種の元素である。前記添加元素は少なくともTiを含むことが好ましく、例えば、質量比で17~45%Cr、3~35%Co、0.1~5%Ti、残部はFeおよび不可避不純物からなる組成とすることが好ましく、20~40%Cr、5~14%Co、0.1~0.6%Ti、残部はFeおよび不可避不純物からなる組成とすることがより好ましい。Ti以外の元素を複合的に含有することもできる。目的とする組成のFCC合金が得られるように各元素の供給材料を所定量計量し混合してなる原材料をるつぼに装填し、高周波溶解し、るつぼ下のノズルから溶融した合金を落下させ、高圧アルゴンで噴霧してガスアトマイズ粉を作製する。このガスアトマイズ粉を分級して得られるFCC合金粉末を付加製造法の原料粉末とする。
[Raw material powder]
In the present invention, a powdery FCC alloy is used as a raw material. More specifically, it is an FCC alloy composed of 17 to 45% Cr, 3 to 35% Co, and 5% or less additive elements in mass ratio, and the balance is Fe and inevitable impurities. The additive elements are, for example, Ti, Mo , V, Si, and Al. The additive element preferably contains at least Ti. For example, the mass ratio may be 17 to 45% Cr, 3 to 35% Co, 0.1 to 5% Ti, and the balance may be composed of Fe and unavoidable impurities. More preferably, the composition consists of 20 to 40% Cr, 5 to 14% Co, 0.1 to 0.6% Ti, and the balance being Fe and unavoidable impurities. It is also possible to contain elements other than Ti in a composite manner. A crucible is charged with a raw material obtained by weighing and mixing a predetermined amount of feed materials of each element so as to obtain an FCC alloy with the desired composition, high-frequency melting is performed, and the molten alloy is dropped from a nozzle under the crucible, and is subjected to high pressure. A gas atomized powder is produced by atomizing with argon. The FCC alloy powder obtained by classifying this gas-atomized powder is used as the raw material powder for the additive manufacturing method.

[積層造形]
FCC合金の造形体を作製するにあたり、はじめに、造形体を層分割した3次元CADデータを作成する。次に、パウダーベッドフュージョン方式の積層造形機を用い、分割した層ごとにベースプレート上に供給した原料粉末をレーザ照射により高速溶融・急冷凝固させ、これを積層することでベースプレート上に3次元の造形体を作製する。最後に、造形体をベースプレートから切り離すことで、FCC合金の造形体を得る。
[Additive manufacturing]
To produce an FCC alloy shaped body, first, three-dimensional CAD data is created by dividing the shaped body into layers. Next, using a powder bed fusion type additive manufacturing machine, the raw material powder supplied to the base plate for each divided layer is melted at high speed by laser irradiation, rapidly cooled and solidified, and layered to create a 3D model on the base plate Create a body. Finally, the FCC alloy shaped body is obtained by separating the shaped body from the base plate.

ここで、積層造形条件は原料粉末の粒径や組成、造形体の大きさ・形状・特性、生産効率等を考慮して適宜定められる。本発明のFCC合金については、原料粉末を高速溶融させるためにレーザ照射によって投入するエネルギーの密度(熱源の エネルギー密度:J/mm)が小さ過ぎると、磁気特性、特に角型比の低下や欠陥率の上昇を来し、FCC磁石として実用に供することが困難になる。一方、 エネルギー密度が大き過ぎるとレーザ照射位置を中心とする広範囲の原料粉末が溶融し、造形体の形状を維持することが困難になる。これらの観点から、エネルギーの密度(J/mm)は35以上 が好ましく、35以上、130以下の範囲がより好ましく、50以上、110以下の範囲が更に好ましく、60超、95以下の範囲が更に好ましい。さらに、このようなエネルギー密度を実現するためには、積層造形する際の原料粉末層の一層厚さは10~80μmとすることが好ましい。レーザの照射ビーム径は約0.1mmとすることが好ましい。レーザ出力は50~400Wとすることが好ましい。レーザ走査速度は400~2500mm/sとすることが好ましい。レーザ走査ピッチは0.04~0.15mmとすることが好ましい。ここで、 エネルギー密度E(J/mm)はレーザ出力P(W)、レーザ走査速度v(mm/s)、レーザ走査ピッチa(mm)、原料粉末層の一層厚さd(mm)を用いて式(1)から求められる。 Here, the conditions for layered manufacturing are appropriately determined in consideration of the particle size and composition of the raw material powder, the size, shape, characteristics of the molded body, production efficiency, and the like. Regarding the FCC alloy of the present invention, if the energy density (energy density of the heat source: J/mm 3 ) applied by laser irradiation for high-speed melting of the raw material powder is too small, the magnetic properties, particularly the squareness ratio, may deteriorate. The defect rate increases, making it difficult to put it to practical use as an FCC magnet. On the other hand, if the energy density is too high, the raw material powder will melt over a wide area around the laser irradiation position, making it difficult to maintain the shape of the modeled body. From these viewpoints, the energy density (J/mm 3 ) is preferably 35 or more, more preferably 35 or more and 130 or less, still more preferably 50 or more and 110 or less, and more than 60 and 95 or less. More preferred. Furthermore, in order to achieve such an energy density, it is preferable to set the thickness of one layer of the raw material powder layer to 10 to 80 μm during lamination molding. It is preferable that the irradiation beam diameter of the laser is about 0.1 mm. The laser output is preferably 50-400W. The laser scanning speed is preferably 400-2500 mm/s. The laser scanning pitch is preferably 0.04 to 0.15 mm. Here, the energy density E (J/mm 3 ) is the laser output P (W), the laser scanning speed v (mm/s), the laser scanning pitch a (mm), and the raw material powder layer thickness d (mm). It is obtained from the formula (1) using

E=P/(v×a×d) (1) E=P/(v×a×d) (1)

[造形体]
次に、マグネットフィルタを形成する3次元格子構造について説明する。本発明における3次元格子構造とは、外部に連通する複数の内部空隙を有する構造であって3次元のCADデータで定義できるものであれば、その構成は問わない。前記内部空隙は、互いに連通して1つ以上の空隙を形成していてもよい。典型的には、1つの開放空間を定義する骨組み(単位格子)が前後左右上下斜めの方向に、すなわち3次元の方向に繰り返されることによって形成される構造が挙げられる。
[Modeled body]
Next, the three-dimensional lattice structure forming the magnet filter will be described. The three-dimensional lattice structure in the present invention is a structure having a plurality of internal voids communicating with the outside, and may be of any configuration as long as it can be defined by three-dimensional CAD data. The internal voids may communicate with each other to form one or more voids. A typical example is a structure formed by repeating a framework (unit cell) that defines one open space in the front, back, left, right, up, down, and oblique directions, that is, in three-dimensional directions.

例えば、図1に示す開口部が正方形である立方格子や図2に示すケルビン格子と呼ばれる多面体格子などの立体的網目状格子、ハニカム構造、その他、複数の内部空隙を定義する構造が含まれる。単位格子は必ずしも直線の組み合わせで構成される必要はなく、曲線を含んでもよい。骨組みの太さは一定でなくてもよい。複数種の単位格子の組み合わせによって構成されていてもよい。位置によって寸法に差があってもよい。例えば、内部に向かうほど空間が広くなる構造でもよいし、またはその逆でもよい。繰り返しの規則性はある程度ラフなものであってもよい。 Examples include a cubic lattice with square openings shown in FIG. 1, a three-dimensional mesh lattice such as a polyhedral lattice called a Kelvin lattice shown in FIG. 2, a honeycomb structure, and other structures that define a plurality of internal voids. A unit cell does not necessarily have to be composed of a combination of straight lines, and may include curved lines. The thickness of the frame does not have to be constant. It may be configured by a combination of a plurality of types of unit cells. There may be differences in dimensions depending on the position. For example, the structure may be such that the space becomes wider toward the inside, or vice versa. The repetition regularity may be somewhat rough.

本発明では、3次元CADデータを作成することで、任意の格子構造を造形できる。そのため、マグネットフィルタによって取り除きたい磁性不純物の大きさや磁性不純物を含む液体の粘度等に合わせてあらゆる格子構造の造形体が造形可能である。造形体の強度や磁性不純物の除去能を考慮すると、格子構造の最細部の厚みは0.2mm以上が好ましい。また、1つの開口部の面積は0.04mm以上が好ましい。 In the present invention, any lattice structure can be formed by creating three-dimensional CAD data. Therefore, it is possible to form a shaped body having any lattice structure according to the size of the magnetic impurities to be removed by the magnet filter, the viscosity of the liquid containing the magnetic impurities, and the like. Considering the strength of the shaped body and the ability to remove magnetic impurities, the thickness of the finest part of the lattice structure is preferably 0.2 mm or more. Also, the area of one opening is preferably 0.04 mm 2 or more.

[熱処理]
造形後には、造形体の溶体化処理、磁場中での熱処理、時効処理を行う。
[Heat treatment]
After shaping, the shaped body is subjected to solution treatment, heat treatment in a magnetic field, and aging treatment.

溶体化処理は、真空もしくは減圧雰囲気、または酸化性雰囲気(典型的には大気中)において、造形体の温度を600℃以上950℃以下、好ましくは700℃以上850℃以下の範囲で、例えば10分以上20分以下の間、維持する。この溶体化処理によってFCC系合金は、強磁性元素と非磁性元素との固溶体(α相)から構成された状態になる。 The solution treatment is carried out in a vacuum or reduced pressure atmosphere, or an oxidizing atmosphere (typically in the air) at a temperature of 600° C. or higher and 950° C. or lower, preferably 700° C. or higher and 850° C. or lower. Maintain for no less than 20 minutes. By this solution treatment, the FCC alloy becomes a solid solution (α phase) of a ferromagnetic element and a nonmagnetic element.

磁場中熱処理は、例えば200kA/m以上の磁場中で造形体の温度を600℃以上700℃以下、好ましくは620℃以上660℃以下の範囲で、例えば60分以上90分以下の間、維持する。この磁場中熱処理によってFCC系合金では、スピノーダル分解が進行し、α1相(FeCo強磁性相)およびα2相(Cr非磁性相)の2相に分離した状態に変化する。スピノーダル分解が進行するときに磁場が印加されているため、強磁性のα1相が磁場の向きに整合して長く成長する。その結果、形状磁気異方性を発現させることができる。磁場中熱処理の雰囲気も大気中でよい。 In the magnetic field heat treatment, the temperature of the shaped body is maintained in a magnetic field of, for example, 200 kA/m or more in a range of 600° C. or more and 700° C. or less, preferably 620° C. or more and 660° C. or less, for example, for 60 minutes or more and 90 minutes or less. . By this heat treatment in a magnetic field, the FCC alloy undergoes spinodal decomposition and changes into a state of being separated into two phases, α1 phase (FeCo ferromagnetic phase) and α2 phase (Cr nonmagnetic phase). Since the magnetic field is applied when the spinodal decomposition proceeds, the ferromagnetic α1 phase grows long in alignment with the direction of the magnetic field. As a result, shape magnetic anisotropy can be developed. The atmosphere for the heat treatment in the magnetic field may be the air.

時効処理は400℃以上670℃以下の温度範囲で行う。時効処理では、磁場中熱処理の温度よりも5~30℃程度低い時効処理開始温度(例えば570~670℃)から時効処理終了温度(例えば400~600℃)まで、毎時1~7℃、好ましくは毎時2~6℃の降温速度で行う制御冷却の過程が含まれていることが好ましい。磁場中熱処理の温度から、いったん時効処理開始温度未満まで降温させてもよい。その場合は、時効処理開始温度まで昇温してから冷却を開始する。これによって、α1相とα2相の組成差を拡大させ、よりFeCoに富む相とCrに富む相に分離することができるため、α1相をより磁場方向に成長させて保磁力を高くすることが可能になる。時効処理の雰囲気も大気中でよい。 The aging treatment is performed in a temperature range of 400°C or higher and 670°C or lower. In the aging treatment, from the aging treatment start temperature (for example, 570 to 670°C) that is about 5 to 30°C lower than the temperature of the heat treatment in the magnetic field to the aging treatment end temperature (for example, 400 to 600°C), 1 to 7°C per hour, preferably It preferably includes a process of controlled cooling at a cooling rate of 2-6°C per hour. The temperature of the magnetic field heat treatment may be once lowered to below the aging treatment start temperature. In that case, the cooling is started after the temperature is raised to the aging treatment start temperature. As a result, the composition difference between the α1 phase and the α2 phase can be expanded, and the phase can be separated into a phase richer in FeCo and a phase richer in Cr, so that the α1 phase can be grown further in the direction of the magnetic field to increase the coercive force. be possible. The atmosphere for the aging treatment may also be the air.

[マグネットフィルタの使用方法]
本発明のマグネットフィルタは永久磁石自体がフィルタ形状を形成しているため、マグネットフィルタ自体を着磁することで磁性不純物を吸着するようになり、吸着した磁性不純物はマグネットフィルタを脱磁することで容易に除去、回収できる。また、様々な使用形態に適用可能である。例えば、着磁したフィルタを除去したい磁性不純物が含まれているタンク内に浸漬し、磁性不純物が吸着されたマグネットフィルタをタンクから取り出した後脱磁することで、タンク内の磁性不純物を容易に回収することができる。また、着脱磁機能を有する装置内にマグネットフィルタを配置し、着磁して磁性不純物が含まれている液体を流し、その後脱磁して付着した磁性不純物を洗い流すようにしてもよい。
[How to use the magnet filter]
In the magnet filter of the present invention, since the permanent magnet itself forms a filter shape, magnetic impurities are adsorbed by magnetizing the magnet filter itself, and the adsorbed magnetic impurities are demagnetized. Can be easily removed and recovered. Moreover, it is applicable to various usage patterns. For example, a magnetized filter is immersed in a tank containing magnetic impurities to be removed, and the magnetic filter with the magnetic impurities adsorbed is taken out of the tank and then demagnetized to easily remove the magnetic impurities in the tank. can be recovered. Alternatively, a magnet filter may be arranged in a device having a magnetization/demagnetization function, magnetized to flow liquid containing magnetic impurities, and then demagnetized to wash away adhering magnetic impurities.

[フィルタ装置]
さらに、本発明のマグネットフィルタを組み込んだフィルタ装置を提供することができる。フィルタ装置としては、例えば、電磁石などによって着脱磁機能を有する装置内に本発明のマグネットフィルタを配置したものや、脱磁後のマグネットフィルタを洗浄する機能を有するもの、などが挙げられる。マグネットフィルタは必ずしも装置内に固定される必要はなく、適宜取り出して着脱磁や洗浄を行ってもよい。
[Filter device]
Furthermore, it is possible to provide a filter device incorporating the magnet filter of the present invention. Examples of the filter device include those in which the magnet filter of the present invention is arranged in a device having a demagnetization function by an electromagnet or the like, and those having a function of cleaning the magnet filter after demagnetization. The magnet filter does not necessarily need to be fixed in the device, and may be taken out as appropriate for demagnetization and cleaning.

以下、付加製造法によって本発明のマグネットフィルタを造形することのメリットについて述べる。まず、本発明のような3次元格子構造を有するFCC磁石を、FCC磁石の従来の製造法である鋳造法や圧延法、焼結法などで製造するのは困難を極める。塊状の鋳造合金や焼結体に切削加工等を施して格子構造を形成するのはほぼ不可能であるし、線状の薄型圧延磁石を網状に編んで形成するには相当の技術力やコストが必要とされる。付加製造法によれば、このような従来は非常に製造が困難であった3次元格子構造のFCC磁石合金が、比較的低コスト短時間で製造可能である。 Advantages of forming the magnetic filter of the present invention by the additive manufacturing method will be described below. First, it is extremely difficult to manufacture an FCC magnet having a three-dimensional lattice structure as in the present invention by the conventional methods of manufacturing FCC magnets, such as casting, rolling, and sintering. It is almost impossible to form a lattice structure by cutting a mass of cast alloy or sintered body. is required. According to the additive manufacturing method, such an FCC magnet alloy with a three-dimensional lattice structure, which has been very difficult to manufacture in the past, can be manufactured at a relatively low cost in a short period of time.

また、本発明のマグネットフィルタは、硬磁性材料そのものをマグネットフィルタ本体として用いるため、3次元格子構造の内部まで起磁力を有する。この点、特許文献1記載のフィルタのように、鉄などの軟磁性材料を永久磁石で磁化した場合に比べてフィルタ内部まで強い吸着力を有し、高い表面積と高い空孔率を有し磁性不純物を含む流体との接触面積の大きい3次元格子構造のフィルタとしては、最高の吸着力を有するマグネットフィルタの実現が期待できる。 Further, since the magnet filter of the present invention uses the hard magnetic material itself as the magnet filter main body, it has a magnetomotive force even inside the three-dimensional lattice structure. In this regard, as in the filter described in Patent Document 1, compared to the case where a soft magnetic material such as iron is magnetized with a permanent magnet, it has a strong adsorption force even inside the filter, and has a high surface area and a high porosity. As a filter with a three-dimensional lattice structure that has a large contact area with a fluid containing impurities, it is expected that a magnetic filter with the highest adsorption force will be realized.

なお、付加製造法によるFCC磁石の製造工程では、FCC合金を造形の後に高温で熱処理を行ってFCC磁石とするため、FCC磁石は、造形に伴う熱の影響を考慮する必要がなく、磁石材料の中でも付加製造法に適した永久磁石である。 In addition, in the manufacturing process of FCC magnets by the additive manufacturing method, the FCC alloy is heat-treated at a high temperature after shaping to form an FCC magnet. Among them, it is a permanent magnet suitable for the additive manufacturing method.

図1に示すような立方格子の3次元CADデータを用意した。図1(a)はこの立方格子の3次元CADデータを2次元で表現した上面図と単位格子の寸法を示す図、(b)は立方格子の同じく側面図と単位格子の寸法を示す図である。 Three-dimensional CAD data of a cubic lattice as shown in FIG. 1 was prepared. Fig. 1(a) is a top view of the three-dimensional CAD data of this cubic lattice expressed in two dimensions and a diagram showing the dimensions of the unit lattice, and (b) is a side view of the same cubic lattice and a diagram showing the dimensions of the unit lattice. be.

組成が質量%で、10.1%のCo、24.5%のCr、0.2%のTi、0.5%のC、残部Feとなるように各元素の供給材料を所定量計量し混合してなる原材料をるつぼに装填し、真空中で高周波溶解し、るつぼ下の直径5mmノズルから溶融した合金を落下させ、高圧アルゴンで噴霧してガスアトマイズ粉を作製した。このガスアトマイズ粉を分級して10~60μmのFCC合金粉末を得た。これを原料粉末とした。 A predetermined amount of the feed material of each element is weighed so that the composition is mass%, 10.1% Co, 24.5% Cr, 0.2% Ti, 0.5% C, and the balance Fe. The mixed raw materials were charged into a crucible, subjected to high-frequency melting in vacuum, and the melted alloy was dropped from a nozzle with a diameter of 5 mm under the crucible and sprayed with high-pressure argon to prepare gas-atomized powder. This gas-atomized powder was classified to obtain FCC alloy powder of 10 to 60 μm. This was used as raw material powder.

パウダーベッドフュージョン方式の積層造形機(EOS社製EOS-M290)を用い、S45C製ベースプレート上に供給した原料粉末をレーザ照射による高速溶融・急冷凝固させて、図1の造形体を作製した。図1の各部分の寸法は以下のとおりである。X:10mm、Y:10mm、Z:20mm、開口部の寸法(x1、y1、z1):1.3mm、最細部の厚み(x2、y2、z2):0.6mm、すなわち、大きさ:2000mm、1辺(開口部+磁石部分):約1.9mm、開口部の面積:1.7mmの立方格子である。
積層造形条件は次の通りとした。
・原料粉末層の一層厚さ/40μm
・レーザビーム径/約0.1mm
・レーザ出力/200W
・レーザ走査速度/800mm/s
・走査ピッチ/0.09mm
・エネルギー密度/69J/mm
Using a powder bed fusion type layered modeling machine (EOS-M290 manufactured by EOS), the raw material powder supplied on the S45C base plate was melted at high speed by laser irradiation and rapidly cooled and solidified to produce the modeled body shown in FIG. The dimensions of each part in FIG. 1 are as follows. X: 10 mm, Y: 10 mm, Z: 20 mm, dimensions of the opening (x1, y1, z1): 1.3 mm, thickness of the smallest part (x2, y2, z2): 0.6 mm, that is, size: 2000 mm 3 , 1 side (opening + magnet portion): about 1.9 mm, area of opening: 1.7 mm 2 cubic lattice.
The additive manufacturing conditions were as follows.
・One layer thickness of raw material powder layer / 40 μm
・Laser beam diameter / about 0.1 mm
・Laser output/200W
・Laser scanning speed/800mm/s
・Scan pitch/0.09mm
・Energy density/69 J/mm 3

造形体の熱処理として、先ず、溶体化処理900℃、1.3時間、次いで、260kA/mの磁界中、620℃、2.5時間、更に、時効処理625℃、1.2時間を施した。その後、5℃/分程度で冷却した。かかる熱処理を経て、FCC磁石造形体を得た。得られた造形体の写真(斜視)を図2に示す。 As the heat treatment of the shaped body, first, solution treatment was performed at 900° C. for 1.3 hours, then in a magnetic field of 260 kA/m at 620° C. for 2.5 hours, and further aging treatment was performed at 625° C. for 1.2 hours. . After that, it was cooled at about 5°C/min. Through such heat treatment, an FCC magnet shaped body was obtained. A photograph (perspective view) of the resulting shaped body is shown in FIG.

[磁気特性]
造形体の磁気特性評価は、別途同様の条件で作成した磁石片を用い、B-Hトレーサーを用いて行った。各造形体のB-H曲線を求め、B-H曲線より、残留磁束密度B1.30[T]、保磁力HcB44.5[kA/m]、最大エネルギー積(BH)max42.5[kJ/m]、角形比73.5%であった。
[Magnetic properties]
The evaluation of the magnetic properties of the shaped body was carried out using a BH tracer using a magnet piece separately prepared under the same conditions. Obtain the BH curve for each shaped body, and from the BH curve, residual magnetic flux density B r 1.30 [T], coercive force H cB 44.5 [kA / m], maximum energy product (BH) max 42 .5 [kJ/m 3 ] and the squareness ratio was 73.5%.

[マグネットフィルタとしての使用]
得られた造形体をソレノイド着磁器にて着磁しFCC磁石によるマグネットフィルタを得た。1~2μm程度の大きさの鉄粉を126.48g含ませた2Lの水中(水槽の大きさは307×232×111mm)に造形体を浸漬し、液を攪拌しつつ1分間放置後、取り出した。取り出したマグネットフィルタには鉄粉が付着していた。マグネットフィルタをパルス脱磁機にて脱磁し、鉄粉を洗い流すことで、付着した鉄粉を容易に回収することができた。洗い流された鉄粉の重量を測定したところ、0.80gであり、マグネットフィルタの単重に対し22.8%の鉄粉が液中から除去できたことがわかった。
[Use as a magnet filter]
The obtained modeled body was magnetized with a solenoid magnetizer to obtain a magnet filter with an FCC magnet. The modeled object is immersed in 2 L of water (water tank size is 307×232×111 mm 3 ) containing 126.48 g of iron powder with a size of about 1 to 2 μm. I took it out. Iron powder adhered to the removed magnet filter. By demagnetizing the magnetic filter with a pulse demagnetizer and washing away the iron powder, the adhering iron powder could be easily recovered. When the weight of the iron powder washed away was measured, it was 0.80 g, and it was found that 22.8% of the iron powder was removed from the liquid with respect to the unit weight of the magnet filter.

図3に示すような多面体格子の3次元CADデータを用意した。図3(a)は多面体格子の3次元CADデータを2次元で表現した側面図、(b)は多面体格子の同じく上面図と単位格子の詳細図である。 Three-dimensional CAD data of a polyhedral grid as shown in FIG. 3 was prepared. FIG. 3(a) is a two-dimensional representation of three-dimensional CAD data of a polyhedral lattice, and FIG. 3(b) is a top view of the same polyhedral lattice and a detailed view of a unit lattice.

実施例1と同じ条件で、図3のFCC磁石造形体(図の寸法X:15×Y:15×Z:48mm、x:3mm、y:3mm、多面体1辺の直径r:0.5mm、六角形開口部の面積3.72mm、正方形開口部の面積0.56mm)を作製した。得られた造形体の写真(斜視)を図4に示す。得られたFCC磁石によるマグネットフィルタを用いて、実施例1と同じ条件で実験を行ったところ、38.6%の鉄粉が液中から除去できたことがわかった。 Under the same conditions as in Example 1, the FCC magnet model in FIG. A hexagonal opening area of 3.72 mm 2 and a square opening area of 0.56 mm 2 ) were fabricated. A photograph (perspective view) of the resulting shaped body is shown in FIG. An experiment was conducted under the same conditions as in Example 1 using the obtained magnet filter using the FCC magnet, and it was found that 38.6% of the iron powder could be removed from the liquid.

Claims (4)

3次元格子構造を有する鉄-クロム-コバルト系磁石によるマグネットフィルタ。 A magnetic filter with an iron-chromium-cobalt magnet that has a three-dimensional lattice structure. 請求項1記載のマグネットフィルタを用いたフィルタ装置。 A filter device using the magnet filter according to claim 1 . 付加製造法を用いて製造することを特徴とする3次元格子構造を有する鉄-クロム-コバルト系磁石によるマグネットフィルタの製造方法。 A method for producing a magnetic filter using an iron-chromium-cobalt magnet having a three-dimensional lattice structure, characterized by using an additive manufacturing method. 付加製造法で形成した鉄-クロム-コバルト系合金の造形体に対し、溶体化処理、磁場中熱処理、時効処理を行うことを特徴とする、3次元格子構造を有する鉄-クロム-コバルト系磁石によるマグネットフィルタの製造方法。 An iron-chromium-cobalt magnet with a three-dimensional lattice structure, characterized by subjecting an iron-chromium-cobalt alloy shaped body formed by an additive manufacturing method to solution treatment, heat treatment in a magnetic field, and aging treatment. A method for manufacturing a magnet filter by.
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